電磁驅(qū)動及電磁阻尼演示儀的制作

胡思航 胡尊山

摘 要：采用閉合、非閉合鋁框、塑料框和鋁塑混合框等不同的線框，制作一款結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、可視度大的演示器材。這款器材既能直觀地演示電磁驅(qū)動、電磁阻尼，又能展示渦流現(xiàn)象。通過對比實驗，開口鋁框在釹鐵硼強(qiáng)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中也能轉(zhuǎn)動起來，能讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識電磁感應(yīng)現(xiàn)象。從而進(jìn)一步加深對法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律的理解。

關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動；電磁阻尼；渦流；閉合鋁框；非閉合鋁框

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）3-0050-3

1 問題的提出

目前，中學(xué)物理老師在給學(xué)生演示電磁驅(qū)動的時候一般都會采用課本中圖示的儀器（圖1），實驗可視度小且功能比較單一。若用交流感應(yīng)電動機(jī)，結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，高中學(xué)生又不易弄清原理。

由此，筆者決定制作一款結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、可視度大且更直觀的電磁驅(qū)動、阻尼裝置。通過反復(fù)制作、實驗、修改、研討，最終制作完成了外形相近的金屬鋁框、非金屬塑料框和一邊框開口的鋁框及兩對邊分別是鋁與塑料相結(jié)合的框等整套裝置。這套裝置可以通過實驗對比，讓我們更深刻地認(rèn)識電磁驅(qū)動、電磁阻尼、渦流等現(xiàn)象的產(chǎn)生條件：閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。從而進(jìn)一步加深對法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律的理解。

2 儀器制作

2.1 所需材料及制作工具

2.1.1 材料

釹鐵硼強(qiáng)磁體、方管型鋁材、透明有機(jī)玻璃、鐵皮、條形木板及木條、304不銹鋼條、凹凸塑料墊圈、鋼筋、螺絲釘、木螺絲釘?shù)取?/p>

2.1.2 工具

臺鉗、鋼鋸、木工鋸、刨刀、錘、鉗子、螺絲刀、手電鉆、角尺、鉛筆、絲錐板牙等。

2.2 制作過程

2.2.1 底座制作

用木工鋸、刨刀等工具把木板制成底座（480*115*30），在底座的一端安裝帶轉(zhuǎn)軸的木條，木條可以轉(zhuǎn)到豎直位置（圖2）；用臺鉗、鋼鋸、錘子、鋼絲鉗、手電鉆等工具把鐵皮制成搖把固定支架并用木螺絲釘固定在木條上不帶轉(zhuǎn)軸的一端；把鋁框做成的支架固定在有轉(zhuǎn)軸端的木條底座上，在頂端打孔，304不銹鋼鋼條穿過小孔并固定在支架上。

2.2.2 搖把及U型框制作

用臺鉗、鋼鋸、錘子、鋼絲鉗、手電鉆、絲錐板牙、螺母等工具把鐵皮、鋼筋制成一個比鋁框稍大的U型框和搖把，用螺母將U型框與搖把固定連接，安裝在支架上，將強(qiáng)磁鐵安裝在U型框上，轉(zhuǎn)動搖把能形成旋轉(zhuǎn)磁場。

2.2.3 框的制作

在方形鋁材上鋸下兩個鋁框（100*100*10）。在其中一個鋁框的一邊切開一縫隙，做出兩種分別是閉合和非閉合鋁框（如果縫隙過大，可在縫隙處加一配重）；用塑料做一個同樣大小的框；用塑料與鋁片組合，對邊分別為塑料與鋁，做一個同樣大小的鋁塑搭配的框。把各種框分別從中間位置打孔，在鋁框上的打孔處套上凹凸塑料墊圈（絕緣），用304不銹鋼條穿過孔，讓框子可以自由轉(zhuǎn)動。

3 創(chuàng)新之處

（1）使用大尺寸框，增加可視性，效果很好。

（2）使用一邊有縫的非閉合鋁框，在旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁場中也轉(zhuǎn)動起來，打破了我們的認(rèn)識。

（3）使用鋁片與塑料片組合的框，演示轉(zhuǎn)軸在不同材料上的不同效果，進(jìn)一步認(rèn)識渦流現(xiàn)象。

（4）使用有“磁王”之稱的釹鐵硼磁性材料制成的強(qiáng)磁體，它的磁性較鐵鈷鎳磁鐵強(qiáng)很多倍，增強(qiáng)了實驗演示的效果。

（5）本器材使用安全、方便，能用多種類型框分別演示電磁驅(qū)動、電磁阻尼，探究渦流現(xiàn)象。

4 教具使用方法和效果試驗

4.1 電磁驅(qū)動

轉(zhuǎn)動搖把使U型框形成變化的磁場。處于其中的閉合鋁框也隨著轉(zhuǎn)動起來，即為電磁驅(qū)動；將上述鋁框換為塑料框，旋轉(zhuǎn)磁鐵，觀察到塑料框沒有轉(zhuǎn)動；這說明非金屬材料在磁場中不能產(chǎn)生感生電流，無法形成電磁驅(qū)動。

4.2 電磁阻尼

分別在磁場內(nèi)、外轉(zhuǎn)動閉合的鋁框及塑料框。觀察鋁框與塑料框的旋轉(zhuǎn)情況，可以發(fā)現(xiàn)：在磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)的閉合鋁框很快停下來，而磁場外旋轉(zhuǎn)的鋁框要經(jīng)較長時間才能停下；塑料框的旋轉(zhuǎn)沒有受到磁場的影響。說明運(yùn)動的鋁框在磁場中受到磁場的阻尼作用，塑料框沒有受磁場的阻尼作用。

4.3 渦流

用有縫的鋁框做同樣的實驗。在搖動搖把時，發(fā)現(xiàn)有縫的鋁框也跟著轉(zhuǎn)動起來；讓鋁框轉(zhuǎn)動，在靜止的磁場中也很快停止下來，鋁框也受到阻尼作用，這表明有縫鋁框中也有電流產(chǎn)生。

換用鋁塑搭配組成的框，轉(zhuǎn)軸在塑料邊時，鋁片切割磁場的面比較大，轉(zhuǎn)動效果與前面的鋁框一樣；轉(zhuǎn)軸在鋁邊上時，是塑料面切割磁場，幾乎不轉(zhuǎn)動。

這兩種情況導(dǎo)體不閉合，只能是鋁片中產(chǎn)生的渦流引起的驅(qū)動與阻尼。與課本中的解釋正好相反。

在教材的習(xí)題中問道：用磁極分別靠近或遠(yuǎn)離閉合的A環(huán)和斷開的B環(huán)，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象（如圖3）。磁極靠近或遠(yuǎn)離A環(huán)時，A環(huán)的磁通量發(fā)生變化，會產(chǎn)生電流，A環(huán)會動。磁極靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時，B環(huán)不會動。

好多人會認(rèn)為，磁極靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時，雖然B環(huán)的磁通量發(fā)生了變化，但B環(huán)是斷開的，沒有電流產(chǎn)生，B環(huán)不會動。實驗現(xiàn)象和理論分析正好吻合。偶爾會發(fā)現(xiàn)B環(huán)有點小動，也會認(rèn)為是手帶動的氣流引起的轉(zhuǎn)動，而沒有更深入地分析。

我們把帶有縫隙的鋁框作為轉(zhuǎn)子放入U型框內(nèi)，在搖動U型框時，發(fā)現(xiàn)鋁框還是發(fā)生了非常明顯的轉(zhuǎn)動。這個實驗現(xiàn)象讓我們產(chǎn)生了疑問，要產(chǎn)生感應(yīng)電流必須要有閉合回路，現(xiàn)在用帶有縫隙的鋁框做實驗，不該有感應(yīng)電流，因而鋁框不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，但實驗結(jié)果是鋁框發(fā)生了轉(zhuǎn)動，極大地激發(fā)了我們的探究欲望。

通過分析，雖然鋁框邊開口，但由于鋁框邊有一定的寬度和厚度，在鋁邊框處局部構(gòu)成無數(shù)個閉合回路，在旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁場中產(chǎn)生渦流，所以有縫的金屬鋁框也轉(zhuǎn)動起來。這使我們進(jìn)一步認(rèn)識到感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件：閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。任何導(dǎo)體放在變化的磁場中，導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，斷開的鋁框能轉(zhuǎn)動，也是產(chǎn)生了感應(yīng)電流——渦流的原因。那么，課本中的磁極靠近或遠(yuǎn)離斷開的環(huán)時，為什么看不到環(huán)的轉(zhuǎn)動。經(jīng)對比分析，原因有二：一是磁體磁性較弱；二是導(dǎo)體的厚度、寬度較小。磁性弱，磁通量變化慢，導(dǎo)體厚度小，電阻大，產(chǎn)生的渦流小，在磁場中受到的安培力就小，不易帶動環(huán)的轉(zhuǎn)動。

這樣也就可以更準(zhǔn)確地解釋課本中的習(xí)題，小圓柱在沒有裂縫的鋁管中下落變慢了，在有裂縫的鋁管中下落變快了。這個快是相對于在無縫鋁管中的下落，相對于自由落體運(yùn)動還是慢。因為有縫鋁管中也有電磁感應(yīng)現(xiàn)象——渦流的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2010.